[發明專利]一種基于長周期光纖光柵的甲烷傳感裝置

無效

• 申請號: 201010593704.6
• 申請日: 2010-12-17
• 公開（公告）號: CN102183485A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發明（設計）人: 楊建春;朱廣琴;陶傳義;陳偉民
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/25
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及一種獲取甲烷濃度的基于敏感膜折射率變化的長周期光纖光柵甲烷傳感裝置。

背景技術

甲烷是礦井瓦斯主要成分，在空氣中極易發生爆炸，被視為煤礦事故的“頭號殺手”。?同時，甲烷也是天然氣、沼氣和多種液體燃料的主要成分，是重要工業原料和日常生活燃氣。因此，及時檢測甲烷氣體的濃度，對于煤礦安全生產和甲烷安全使用具有重要作用。

目前，用于甲烷氣體濃度檢測的方法有多種，主要包括半導體型、接觸燃燒型、電化學型、光學型等氣體傳感器。光纖傳感器是一種具有電絕緣性好、抗電磁干擾能力強、防爆、可遠距離長期在線測量、傳感單元結構簡單、穩定可靠、易于組成光纖傳感網絡等特點的光學型氣體傳感器，特別適宜惡劣和危險環境下甲烷濃度測量。

對此，Suozhu?Wu等（Analytica?Chimica?Acta,?2009,?633:?238~243;?Chinese?Chemical?Letters,?2009,?20:?210~212）提出一種基于籠形分子A的模式濾光甲烷傳感方法，其傳感裝置主要由He-Ne激光二極管光源(635nm)、纖芯直徑300μm的光纖傳感器、含籠形分子A的硅樹脂甲烷敏感膜(該硅樹脂即為聚硅氧烷，其折射率1.41左右)、電荷耦合器件(CCD)和計算機等組成，其甲烷傳感過程對傳感器涂覆敏感膜的均勻性和激光入射至光纖纖芯角度的穩定性具有較高的要求。M.?Benounis等（Sensors?and?Actuators?B,?2005,?107:?32~39）提出一種基于塑料包層石英纖芯(PCS)的光纖甲烷傳感方案，傳感裝置主要由激光二極管光源(670nm)、護套直徑為400μm的PCS光纖傳感器、厚度5μm的含籠形分子的聚硅氧烷甲烷敏感膜、光電探測器(320～1100nm硅光電二極管)和計算機組成，其甲烷檢出限僅2%，且PCS光纖存在遠距離傳輸損耗大、與普通標準通訊光纖不匹配、成本高、工程應用困難等問題。楊建春等（ZL200710093035.4）提出一種基于纖芯失配的光纖甲烷傳感系統，傳感裝置主要由發光二極管光源(1310nm)、纖芯失配型光纖傳感器、含籠形分子的聚硅氧烷甲烷敏感膜、光電探測器(700～1700nm光功率計)和計算機組成；該傳感系統采用價廉的標準通訊光纖作為傳感材料，代替上述價格昂貴的PCS光纖，具有傳輸損耗小、成本低、使用方便等特點，但這種方法的傳感信號屬于強度調制，工作時易受電源、電壓、溫度和濕度等因素影響。同時，CN101183076A（一種薄膜熒光檢測甲烷的方法）提出將含籠形分子A、聚氯乙烯、葵二酸二辛酯的四氫呋喃溶液旋涂于石英片上形成甲烷敏感膜，該傳感器的檢測信號為熒光強度，不涉及敏感膜折射率。

長周期光纖光柵是一種新型的光致纖芯折射率變化的光纖器件，其周期遠大于一般的光纖光柵，它具有插入損耗小、背向反射低、傳感特性好以及制作工藝簡單、成本低等優點；且其傳感信號屬于波長調制，可避免測量過程中光強波動及光纖損耗的影響；長周期光纖光柵折射率敏感特性非常高，特別適合化學傳感，尤其適宜易燃、易爆、強電磁干擾環境中有毒有害物質的檢測。

對于直接與氣體或液體等介質接觸的長周期光纖光柵而言，其諧振波長對介質折射率的敏感區是1.40～1.45，而對低于1.40的折射率變化幾乎不響應(Patrick?H?J?et?al.,?Journal?of?Lightwave?Technology,?1998,?16(9):?1606~1612)；而通常情況下氣體折射率近似為1，故長周期光纖光柵難以直接用于氣體檢測，這在很大程度上限制了其在化學檢測方面的應用。如果在長周期光纖光柵包層表面涂覆一層具有氣敏特性的化學敏感薄膜，則可突破長周期光纖光柵用于氣體檢測的局限性（Nicholas?D?R?et?al.,?Optics?Letters,?2002,?27(9):?686~688)。而對于甲烷氣體的檢測而言，若直接將上述的含籠形分子的聚硅氧烷甲烷敏感膜涂覆于長周期光纖光柵包層表面形成甲烷傳感器，則對甲烷氣體的靈敏度差，無法實現對甲烷氣體濃度的檢測。